铅酸电池置于防爆箱内的探究与分析

宋金山

（北京坤飞装备科技有限公司， 北京 100073）

0 引言

为满足助推运载器发射支持系统总装厂房对某型地面装备的需求， 研制了一款将铅酸电池置于隔爆型防爆箱内的地面装备。 以研制的该款防爆设备为研究对象，对铅酸电池充电过程中电解液中水电解产生氢气（H2），以及含氢量累积至爆炸体积浓度（4%～75%）时，遇到电火花导致爆炸的现象进行探究与分析[1]，并确定了隔爆型防爆箱的一种改进措施。

1 机理分析

1.1 设备电池选型

铅酸电池由正负极板、隔板、壳体、安全阀、电解液槽和接线桩头等组成， 其中电解液槽相当于单个电池的电解液容器；极板是蓄电池工作的核心部件，通过极板与电解液的电化学反应进行充放电；电解液是稀硫酸溶液，用水加浓硫酸配制而成[2]。

铅酸电池充电到末期， 两极转化为有效物质后再继续充电，就会产生大量的氢、氧气体。 当这种混合气体浓度在空气中占4%时，遇到明火就会发生爆炸。 因此在爆炸性危险环境中使用时，必须将蓄电池进行防爆处理，使其能够应用在符合爆炸危险场所要求的且具有相应防爆型式的电气设备系统中。 基于铅酸蓄电池析氢的特性：铅酸蓄电池不能安装使用在隔爆型式的防爆电气设备中。因为铅酸蓄电池若安装在隔爆壳内， 由于在电池组充电达到60%～100%时，会产生氢气和氧气并会随之释放，这些气体会从蓄电池释放至隔爆壳内， 使得隔爆壳内部形成易燃易爆气体并有可能导致内部环境成为爆炸性气体0 区区域[3]。根据设备需求和主要技术指标，出于设备研制的试验探究目的，确定设备采用48V 免维护铅酸电池组，由8 块6V230Ah 免维护铅酸电池构成。

1.2 产生氢气原理分析

铅酸电池工作原理： 工作时的电化学反应可以理解为氧化还原反应，经过电解液的参与，极板上的活性物质分别被氧化还原，释放出电能；充电时活性物质又恢复到原来的状态，完成电能的储存。

（1）放电时：

负极反应：Pb-2e-+SO42-=PbSO4

正极反应：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O

（2）充电时：

负极反应：PbSO4+2e-=Pb+SO42-

正极反应：PbSO4+2H2O=PbO2+2e-+4H++SO42-

铅酸电池充电达到60%～100%时， 充电电流部分被用来分解电解液中的水，此时电池正极产生氧气（O2），负极产生氢气（H2），气体会从铅酸电池中溢出，扩散到周围空间中。

充电达60%～100%时：

H2O=H++OH-

负极反应：4H++4e-=2H2↑

正极反应：4OH--4e-=2H2O+O2↑

1.3 氢气爆炸定量分析

氢气体积浓度达到爆炸条件需不小于爆炸体积浓度下限（4%），且不大于爆炸体积浓度上限（75%）。经查容量为100Ah 的蓄电池， 在单个充电周期内损失约4mL 水，并生成约5L 的氢气[4]。 已知设备48V 电池组容量为230Ah，防爆箱内设计空间容积为257.4L， 其一个充电周期内所产生的氢气，按照线性比例理论计算为：

得：充电一次产生氢气体积浓度在爆炸体积浓度4%～75%范围内，但未能引发爆炸。 氢气爆炸的发生还需同时满足在氢气体积范围内有电火花产生或其它可导致爆炸的因素发生。

继续对设备铅酸电池进行正常充放电， 在完成第5次正常充电后，正常启动设备，启动设备瞬间防爆箱内发出异常巨响。 经分析初步认定为电池电解液中水电解产生易燃易爆气体（H2），由于电池处于完全密闭的防爆箱内，所产生气体无法及时排出，当防爆箱内空气中的含氢量累积至爆炸体积浓度时（4%～75%），遇到电火花发生爆炸导致爆鸣现象发出异常巨响。 以电池防爆箱处产生爆鸣现象为顶事件的故障树见图1 所示。以电池防爆箱处产生爆鸣现象为顶事件的故障树分析，导致的原因可能有以下几点，分别进行分析排查：

图1 故障树Fig.1 Fault Tree

1.3.1 X1 事件：电池爆炸

X11 事件：隔板质量不好或缺损，使极板活性物质穿过，致使正、负极板虚接触或直接接触，从而形成爆炸；X11 事件排查：经检查电池没有发生故障且均检测合格，因此， X11 事件可以排除。

X12 事件：排气孔堵塞，致使蓄电池先爆裂，爆裂引起蓄电池震动，极柱接线不牢出现火花，从而形成爆炸；X12 事件排查：经检查电池没有发生故障且均检测合格，因此， X12 事件可以排除。

X13 事件：电池外部电路短路造成蓄电池过度放电，从而形成爆炸；X13 事件排查：经检查电池没有发生故障且均检测合格，因此， X13 事件可以排除。

X14 事件：电池安装未固定牢固可靠，受到剧烈震动或外部非正常撞击， 导致内部短路， 从而形成爆炸；X14事件排查： 经检查电池没有发生故障且均检测合格，因此， X14 事件可以排除。

1.3.2 X2 事件：易燃易爆气体爆炸

（1） X21 事件：易燃易爆气体H2 爆炸。

X211 事件：充电器不符合设计要求，充满电未进行断电，导致过充使电解液中水被电解产生H2，遇火花导致爆炸；X211 事件排查：经检查充电器符合设计要求，具有充满断电功能，因此， X211 事件可以排除。

X212 事件：充电时间过长，导致过充使电解液中水被电解产生H2，遇火花导致爆炸；X212 事件排查：经核查现场充电时长大于12h，但充电器具有充满断电功能，因此， X212 事件可以排除。

X213 事件：正常充电，充电末期，电解液中水被电解产生H2，遇火花导致爆炸；X213 事件排查：经核查电池在充电末期阶段，充电达到60%-100%时，会产生易燃易爆气体H2，在80%时产生氢气量最大，因此， X213 事件无法排除。

X214 事件：电池质量问题，充放电过程产生H2，遇火花导致爆炸；X214 事件排查： 经检查电池没有发生故障且均检测合格，因此， X214 事件可以排除。

（2）X22 事件：其它易燃易爆气体爆炸：防爆箱内零部件产生除H2 外的其它易燃易爆气体，遇火花导致爆炸。

X22 事件排查： 经检查防爆箱内零部件无法产生其它易燃易爆气体，因此， X22 事件可以排除。

综上：认定故障原因为X213 事件（正常充电，充电末期，电解液中水被电解产生H2，遇电火花导致爆炸）。 假设防爆箱完全密闭无气体溢出， 则正常充电5 次产生氢气体积浓度为：

得： 充电产生氢气体积浓度在爆炸体积浓度4%～75%范围内，同时有电火花产生引起氢气爆炸。

1.4 防爆箱强度分析

防爆箱内发出异常巨响， 经查设备以及防爆箱未发生明显外观损伤， 防爆箱设计等级为Ex d IIB T4 Gb，对防爆箱强度进行分析并以相对薄弱的箱门处进行相关计算。 经查当氢气在空气中的浓度分别为爆炸上限和爆炸下限时，其爆炸反应产生的压力分别为3.46atm 和1.71atm[5]，则防爆箱内氢气爆炸对单箱门产生的向外推力F 为：

F1=3.46atm×1.0332kg/cm2×110cm×100cm×0.5×9.8N/kg=192685.6N

F2=1.71atm×1.0332kg/cm2×110cm×100cm×0.5×9.8N/kg=95229.01N

即：F2=95229.01N

而防爆箱安装螺栓为8.8 级M8 内六角圆柱头螺栓，其最小拉力载荷为29200N[6]，单箱门安装螺栓数量为30根，则单防爆箱箱门安装螺栓最小总拉力℉为：

℉=30×29200N=876000N

得：F

防爆箱箱门材质为Q235 厚度14mm， 抗拉强度：σ1=375N/mm2， 剪切强度：τ=300N/mm2， 安装孔直径为φ1=10mm，安装螺栓圆柱头直径φ2=12mm。

得：F

1.5 结论

铅酸电池充电会产生氢气， 置于隔爆型防爆箱内使用达爆炸浓度时，遇电火花会产生爆炸。铅酸电池如需要安装使用在隔爆型式的防爆电气设备中， 必须对防爆箱进行改进设计。

2 结束语

防爆箱设置通风孔、排风扇、手动开盖装置及氢气浓度检测报警装置，同时电池应与电控系统隔离安装，杜绝易燃易爆气体与电火花的接触。 其中所设计通风孔采取螺纹形式，并在内部对应位置安装排风扇，充电时拧开螺纹盖，同时打开排风扇开关，形成空气流进行通风排气，保证易燃易爆气体氢气及时排出； 充电结束后拧好螺纹盖，并关闭排风扇开关，以确保防爆箱防爆等级仍满足设计要求。